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Vol. 39 (Nº 13) Año 2018 • Pág. 22

Diseño de un colector térmico solar apartir de neumáticos usados para elcalentamiento de agua sanitaria enaplicaciones domésticasDesign of a solar thermal collector from tires used for heatingwater in domestic applicationsElkin Alberto MORA Espinosa 1; Jacipt Alexander RAMÓN Valencia 2; Jordi Rafael PALACIOS Gonzalez 3

Recibido: 22/11/2017 • Aprobado: 15/12/2017

Contenido1. Introducción2. Diseño del colector térmico solar3. Resultados4. ConclusionesReferencias bibliográficas

RESUMEN:A nivel mundial se estima que al menos una llanta esdescartada por persona y por lo menos 1 billón deneumáticos usados son generados cada año a nivelmundial, para el 2008 se estimaban 4 billones deneumáticos descartados acumulados en diferentescampos en todo el planeta. (World Business Council forSustainable Development, 2008). En este escrito sedeterminó la viabilidad de un colector térmico solarconstruido mediante la reutilización de neumáticosdesechados, y así mitigar el impacto ambiental quegeneran estos elementos.Palabras-Clave: Colector Solar, Neumáticos

ABSTRACT:Worldwide it is estimated that at least one tire isdiscarded per person and at least 1 billion used tires aregenerated each year worldwide, for 2008 estimated 4billion discarded tires accumulated in different fieldsaround the world. (World Business Council forSustainable Development, 2008). This paper seeks todetermine the viability of a solar thermal collector builtby reusing discarded tires, and thus mitigate theenvironmental impact generated by these elements.Keywords: Solar Collectors, Tires

1. IntroducciónEn los últimos años se ha visto una tendencia en crecimiento, que es la de aprovechar lasenergías renovables lo que ha hecho común ver colectores térmicos solares en los techos decasas y edificios, pero estos aún mantienen un costo relativamente elevado para ser populares

y estar al alcance cualquier persona, buscando brindar una alternativa más practica pero quesiga siendo eficiente se plantea un prototipo de colector térmico solar hecho con neumáticosusados y desechados, el cual tiene un diseño muy sencillo de construir y no necesita mayoreselementos para ser replicado e instalado en cualquier lugar, al usar llantas usadas también sebusca disminuir la contaminación generada con estos elementos que son desechados en todo elmundo en cantidades de un billón de neumáticos al año y un estimado de más de 4 billones deneumáticos usados se encuentran en campos de almacenaje en todo el mundo con un tiempode degradación que excede los 100 años. (Dieter Holm, 2005).Los colectores térmicos solares en general están compuestos por una superficie que estáexpuesta a la radiación solar por la cual circula el fluido a calentar o un fluido que despuésentra en contacto con el fluido a calentar y realiza una transferencia de energía para luego ir aun deposito donde se almacena hasta el momento de su uso, los neumáticos usados brindan laposibilidad de tener ambos componentes en un solo elemento, siendo la superficie expuesta yel tanque de almacenamiento el cuerpo del neumático, teniendo en cuenta que por loscomponentes de los neumáticos estos no sufren una degradación significativa al estarexpuestos continuamente a la intemperie y por ser cuerpos negros son buenos absorbiendo yconcentrando la radiación solar para calentar el agua sanitaria, los neumáticos de vehículosmedianos como camperos y camiones livianos, tienen una capacidad promedio dealmacenamiento de agua de 30 a 40 litros en su interior dependiendo del tamaño y al serelementos ya desechados no tienen costo o el mismo no llega a ser significativo, convirtiéndolosen un elemento idóneo por su capacidad de almacenamiento ya que brindan la demanda diariade agua caliente sanitaria que usa una persona en promedio que son 40 litros. (World BusinessCouncil for Sustainable Development, 2008)

1.1. Energía solarLas energías renovables siempre han brindado una alternativa para reducir nuestradependencia de los combustibles fósiles cada día más escasos y con mayor impacto ambientalen su proceso de extracción, esto ha generado a nivel mundial iniciativas para laimplementación y desarrollo de aplicaciones que aprovechen la energía solar bien sea, en lageneración de electricidad por medio de celdas fotovoltaicas o en colectores térmicos solares.En el mundo existen programas a gran escala que utilizan la energía solar para el calentamientode agua a nivel industrial y doméstico, pero estos programas son de algunos pocos paísesespecíficos y el crecimiento de esta tendencia no ha sido tan significativo, en la actualidad elaprovechamiento de la energía térmica solar se encuentra distribuido como se muestra en lafigura 1.

Figura 1Capacidad Global de Colectores Solares para Calentamiento

de Agua en Operación. (REN21, 2017)

El país con mayor implementación de colectores térmicos solares es China que cuenta con el71% de la capacidad instalada a nivel global, esto en respuesta a la contaminación que sepresenta en la mayoría de sus ciudades debido al uso de termoeléctricas que tienen comocombustible carbón mineral [3].En los últimos 10 años se ha incrementado aproximadamente en un 400% la capacidad Globalde colectores térmicos solares para el calentamiento de agua como se muestra en la grafica 1.

Grafica 1Capacidad global de colectores solares para calentamiento

de agua, 2006-2016 (REN21, 2017)

Cabe destacar que en 2017 muchos países están implementando grandes proyectos que aún noestán reflejados en la gráfica debido a que no se encuentran en funcionamiento pero van aincrementar significativamente los valores de la capacidad total.Para el futuro inmediato se espera que todos los países incrementen o inicien la implementacióna gran escala del uso de energías alternativas y así suplir sus necesidades de manera limpia ysustentable mediante el apoyo de industrias privadas y de los países más desarrollados queapoyan estos esfuerzos para lograr una transición global hacia las energías renovables.

Uno de los elementos usados para lograr esta transición es el colector térmico solar el tiene unprincipio de funcionamiento muy sencillo y busca aprovechar la energía renovable y limpia quenos brinda el sol como se puede observar en la figura 2.

Figura 2Esquema del funcionamiento de un colector térmico solar

(Ministerio de Vivienda y Urbanismo)

Existen diferentes tipos de colectores termicos solares que son:

Colectores solares de placa plana con cubiertaColectores solares de placa plana sin cubiertaColectores solares de tubo de vacío

Todos los colectores mencionados usan un tanque de almacenamiento externo donde seacumula el fluido luego de pasar el proceso de calentamiento esperando a ser usado.Además de tener una gran oferta de estos elementos en el mercado global también se habuscado llevarlos a personas de escasos recursos mediante la construcción de colectorestérmicos solares con materiales reciclados, estos colectores son prácticamente el mismo diseñode los que se encuentran comercialmente pero reemplazando los elementos que los componenpor objetos desechados como es el caso de las botellas PET que son utilizadas como cubiertatransparente para que cumpla la misma función que los tubos de vacío hechos con vidrio.Los colectores térmicos solares hechos usando botellas PET son muy populares y han sidoobjeto de varios proyectos e incluso de estudios de su rendimiento comparándolos a loscolectores térmicos solares que se encuentran comercialmente. En la figura 3 se muestra elplano para la construcción de un colector térmico solar usando botellas pet desarrollado en laUniversidad Tecnológica de Pereira (Colombia).

Figura 3Plano de un colector térmico solar hecho con botellas PET. (Macías, 2013)

Como se evidencia en la figura 4 este tipo de colector necesita de varias piezas diferentes y notodas pueden ser recicladas, además el proceso de construcción es relativamente complicadosobre todo si se compara con nuestro diseño.

Figura 4Colector térmico solar hecho con botellas PET. (Macías, 2013)

1.2. Neumáticos usados.Nuestra sociedad actual depende de diferentes tipos de vehículos para su movilidad ydesarrollo, estos vehículos han tenido diferentes evoluciones con el fin de reducir los niveles decontaminación que generan al funcionar pero todos los vehículos sin importar la tecnología quetengan tienen un elemento en común que son los neumáticos necesarios para transmitir lapotencia al suelo y así lograr el desplazamiento necesario.Los neumáticos usados cuentan con programas que permiten que sean reutilizados como elreencauche de los mismos dándoles una nueva vida útil al reemplazar la banda de rodamientogastada el cual se puede apreciar en la imagen 1, pero en algún momento son descartados y yano pueden ser usados en vehículos, es aquí donde se han buscado diferentes alternativas parasu disposición final entre ellas están triturarlos para mezclas asfálticas, pirolisis e incluso comocombustible de diferentes industrias, este último tiene un grave inconveniente ya que losneumáticos al ser quemados generan una gran cantidad de gases tóxicos lo que hace que esteproceso tenga un impacto más negativo que positivo.Esta problemática tiene unas dimensiones gigantes ya que se estima que al menos una llantaes descartada por persona y por lo menos 1 billón de neumáticos usados son generados cadaaño a nivel mundial, para el 2008 se estimaban 4 billones de neumáticos descartadosacumulados en diferentes campos en todo el planeta. (World Business Council for SustainableDevelopment, 2008).

Imagen 1Planta de trituración de neumáticos usados

(World Business Council for Sustainable Development, 2008)

A pesar de que cada pais cuenta con diferentes leyes o politicas para el manejo de estosresiduos es practicamente imposible manejar todos los neumaticos que se desechan, enColombia existen varias leyes y programas para el manejo de neumaticos usados, aun asi sepuede apreciar facilmente vias rurales y aun mas evidente en zonas urbanas la contaminaciongenerada por estos elementos como se muestra en la imagen 2, en muchos casos esto se debea la falta de cultura en la aplicacion de procesos como el reencauche y el reciclaje,desconocimiento de las diferentes opciones para la disposicion final.

Imagen 2Contaminacion generada por neumaticos usados

en la ciudad de Bogota D.C. (MOJICA, 2015)

Teniendo como meta mitigar el impacto de los neumaticos decartados nace la iniciativa deaprovecharlos como colectores termicos solares ya que brindan caracteristicas que son idoneaspara este tipo de sistemas.

2. Diseño del colector térmico solar.En la etapa de diseño se buscaron neumáticos descartados y se procedió a determinar elvolumen de la capacidad de almacenamiento mediante el volumen de un toroide, el cual diouna capacidad aproximada de 36.7 litros en un neumático medida 6.50r15 cuyas dimensionesson las presentes en la tabla 1.

Tabla 1Características físicas del neumático usado como colector solar. (Autor, 2017)

Diámetro exterior Diámetro interior Ancho de sección.

71.12 cm. 38.1 cm. 16.51cm.

Este neumático es de uso común en camperos, camionetas y camiones ligeros, según losvalores obtenidos un solo neumático podría brindar la demanda diaria para una persona deagua caliente sanitaria, uno de los principios que guio este diseño es mantener la sencillez ybajo costo en el proceso para que de esta forma sea atractivo de replicar por cualquier personasin importar ubicación ya que solo es necesaria la radiación solar para su funcionamiento.

2.1. Simulación del Colector Térmico Solar.El diseño CAD inicial se llevó a cabo usando el software SOLIDWORKS obteniendo comoresultado las figuras 5, 6 y 7.

Figura 5Vista panorámica del diseño del colector térmico solar

hecho con neumáticos desechados. (Autor, 2017)

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Figura 6Vista superior del colector térmicos solar hecho

con neumáticos desechados. (Autor, 2017)

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Figura 7Vista lateral del colector térmico solar hecho con neumáticos desechados. (Autor, 2017)

La simulación del comportamiento del colector térmico solar hecho con neumáticos desechadosse realizó mediante el software de elementos finitos ANSYS luego de haber revisado lascaracterísticas de los materiales que componen los neumáticos mediante el software CESEdupack, y así poder obtener una idea del comportamiento que tendría el colector para despuésvalidar los datos experimentales.

2.2. Construcción del colector.El primer paso fue la instalación de una segunda válvula en la cámara que va dentro delneumático que funciona como depósito, para que permitiera la entrada de agua fría y la salidade agua caliente por ductos diferentes como se muestra en la imagen 3, este proceso es muyimportante ya que brinda la posibilidad de extraer el agua caliente sin perdidas de temperaturaal mezclarse con el agua fría.

Imagen 3Vista de la cámara con las dos válvulas ya instaladas. (Autor, 2017)

Debido a que el colector térmico solar se instaló en la ciudad de Pamplona Norte de Santanderse tomó la decisión aislarlo de la intemperie mediante una caja de cristal que lo rodea, la cualmaximiza el aprovechamiento de la radiación solar y a la vez reduce la exposición a corrientesde aire y bajas temperaturas del ambiente mejorando la capacidad de mantener la temperaturadel agua.En el esquema presentado en la figura 8 se muestra el proceso de construcción del colectortérmico solar usando los elementos antes mencionados:

Figura 8Esquema de la construcción del colector térmico solar. (Autor, 2017)

Ya estando el colector térmico solar construido e instalado, se procede al proceso de pruebas elcual se realizó tomando lecturas cada hora de la temperatura ambiente, temperatura del aguadel grifo y la temperatura del agua del colector.

3. Resultados

El Colector Térmico Solar construido con materiales reciclados, se encuentra en la ciudad dePamplona Norte de Santander (Colombia), la cual está ubicada a 2200 msnm, y tiene unatemperatura promedio de 16 ° C. (Pamplona, 2017).La radiacion solar promedio para el mes de septiembre en el que se realizaron las pruebas fuede 4.0 a 4.5 kWh/m2, valor tomado del mapa de radiacion solar global como se observa en lafigura 9. (ENERGIA-UPME, 2016)

Figura 9Radiación solar promedio a nivel nacional en

el mes de septiembre. (ENERGIA-UPME, 2016)

Ademas de las lecturas de temperatura se tomaron imágenes termograficas del colector termicosolar, para apreciar las temperaturas que se alcanzaban en la superficie del colector, observadasen las figuras 10 y 11.

Figura 10Imagen termo gráfica de la superficie

del colector solar. (Autor, 2017)

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Figura 11Imagen termo gráfica de la superficie

del colector solar. (Autor, 2017)

Las pruebas se realizaron durante un periodo de 30 días que se observan la grafica 2, en loscuales se presentaron temperaturas ambiente que oscilan desde los 6 a los 19 ° C, tomandodatos cada hora en los sensores de temperatura ubicados en la entrada de agua al colector, enla salida de agua del colector y la temperatura ambiente.

Grafica 2Promedio de temperaturas obtenidas. (Autor, 2017)

Luego de adquisición de estos datos se procede a tabular y promediar los valores obteniendocomo resultado la grafica 2, observando los datos se puede determinar que el gradiente detemperaturas entre el agua del grifo y el agua a la salida del colector se mantiene en unpromedio de 23 ° C, en un piso térmico como el de la ciudad de Pamplona (Colombia),

condiciones que se podrían mejorar según el sitio de instalación. También se puede apreciarque la temperatura del agua al interior del colector nunca descendió por debajo de los 25 ° Casí la temperatura ambiente llegara a ser de un digito.

Tabla 2Valores promedio de temperatura a la salida del colector.

Colector solar hechocon neumáticos

desechados.

Colector solar conbotellas PET. *

Colector solar tubos devacío. (comercial)

Temperatura promedio delagua.

42 ° C. 42 ° C. * 66 ° C.

Costo en pesos (USD) 60.000 pesos

(20 USD aprox.)

50.000 pesos **

(17 USD aprox.)

Entre 2´500.000 y 4´500.000 de pesos (830 a

1500 USD)

(Autor, 2017) * valores tomados en la ciudad de Pereira. ** Este valor no incluye el tanque dealmacenamiento que requiere el colector. (Macías, 2013).

4. ConclusionesAl observar el comportamiento del colector térmico solar hecho con neumáticos usados ycomparándolo con otros sistemas de colectores solares que usan materiales reciclados como loes el colector con botellas PET se puede apreciar un comportamiento muy similar en los valoresde temperaturas obtenidos, a pesar de tener diferencias como el hecho de que este último esprobado en la Ciudad de Pereira (Colombia) que tiene un clima considerablemente más cálidoque la Ciudad de Pamplona (Colombia), y que para construir el colector térmico solar conneumáticos desechados son necesarios solo una fracción de los componentes y del tiemporequerido en el colector con botellas PET, pero sobre todo que tiene la gran ventaja de nonecesitar un depósito de agua caliente adicional, esto hace que el costo de implementación deeste tipo de colectores sea reducido ya que necesita de un área menor para su instalación yfuncionamiento.Un colector térmico solar de tubos de vacío se encuentra en el mercado en un rango de preciosque oscila entre los 2´500.000 y 4´500.000 de pesos (830 a 1500 USD) el cual brinda unatemperatura promedio de 66 ° C. (Ambientes Soluciones 2017., 2017) pero su valor lo hacepoco asequible a la mayoría de personas siendo la implementación de colectores solaresconstruidos con materiales descartados una de las mejores opciones para la implementación deesta tecnología a gran escala.El colector solar construido con llantas desechadas tuvo un costo aproximado de 60.000 pesos(20 USD aprox.) incluyendo el vidrio necesario para contruir la caja que lo aisla, este valor sepuede reducir considerablemente si el vidrio es reemplazado por plastico transparente encodiciones climaticas que asi lo permitan, lo que significaria un valor total de aproximadamente20.000 pesos (6 USD).Ademas de generar beneficios en su uso como colector solar, el mas grande aporte de estediseño es brindar una alternativa sencilla y facil de replicar para los neumaticos que seencuentran desechados prolongando su ciclo de vida de forma indefinida ya que por lascaracteristicas que tienen la degradacion cuando se usan como colectores solares es casi nula.La prueba se realizó usando un neumático que brinda una capacidad de 36.72 litros lo cual essuficiente para una persona, al ser necesario el incremento de la capacidad es posible conectarcualquier cantidad de neumáticos para brindar la capacidad requerida, teniendo en cuenta lo

anterior se puede concluir que el uso de neumáticos usados como colectores térmicos solareses viable como alternativa a los procesos convencionales de calentamiento de agua sanitaria.

Referencias bibliográficasAmbientes Soluciones 2017. (10 de noviembre de 2017). Ambiente Soluciones energia solar-led. Obtenido de https://www.ambientesoluciones.com/sitio/index.phpDieter Holm, D. (2005). White Paper – ISES (Internacional Solar Energy Society)- “Un FuturoPara el Mundo en Desarrollo Basada en las Fuentes Renovables de Energía.”. Freiburgo.ENERGIA-UPME, M. D. (2016). Atlas de Radiacion Solar de Colombia. Bogota D.C.Macías, A. A. (2013). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN COLECTOR SOLAR CON BOTELLASRECICLABLES PET Y ANÁLISIS COMPARATIVO CON OTROS COLECTORES. Pereira.MOJICA, Ó. M. (20 de Noviembre de 2015). Decreto pone control aluso y comercializacion dellantas. EL TIEMPO, pág. 1.Pamplona, A. d. (20 de 10 de 2017). Alcaldia de Pamplona. Obtenido de http://pamplona-nortedesantander.gov.co/Paginas/default.aspxREN21. (2017). RENEWABLES 2017 GLOBAL STATUS REPORT. PARIS.World Business Council for Sustainable Development. (2008). Managing End-of-Life Tires.Washington: Atar Roto Presse SA.

1. Ingeniero Mecánico. Msc © en Ingeniería Ambiental. Docente del programa de Ingeniería Mecánica de la UniversidadPamplona, Pamplona N. de S. email: elkmes@gmail.com2. PhD en química, Msc Gestión y Tratamiento Del Agua, Ingeniero químico, Docente Investigador, Universidad dePamplona. Grupo de investigaciones Ambientales Agua Aire y Suelo (GIAAS). Jacipt@unipamplona.edu.co3. Ingeniero ambiental, Investigador, Universidad de Pamplona. Grupo de investigaciones Ambientales Agua Aire y Suelo(GIAAS). jordipalaciosg@gmail.com

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